Kurze Antwort
In dieser Schaltung ist Vth (die Gate-Source-Spannung, bei der der MOSFET gerade eingeschaltet wird) entscheidend. Vth sollte wesentlich niedriger als Vh - Vl = 5 V - 3,3 V = 1,7 V sein.
Der BSS138 hat eine Vth von 0,8 / 1,3 / 1,5 min / typisch / max.
Während es hier theoretisch "gut genug" wäre, als 1,7> 1,5, ist dieser Spielraum unangenehm klein.
Leider ist die von Ihnen gewählte Alternative sogar noch schlechter als die BSS138.
Der FQN1N60C hat eine Vth von 2 / - / 4 V. Das heißt, im besten Fall ist Vth von 2 V höher als die erforderlichen 1,7 V, und er kann eine Vth von bis zu 4 V haben, was bei dieser Anwendung weit über 1,7 V liegt .
Ein akzeptabler (nur) TO92-MOSFET, der bei Digikey auf Lager ist, ist der Zetex / Diodes Inc ZVNL110a .
Dies hat eine Vth von 0,75 / - / 1,5 Volt. Dies entspricht in etwa dem BSS138.
Länger:
Der BSS138 ist ein relativ großes Stück Müll. Es hat seinen Platz, aber es ist über seine sicheren Fähigkeiten in dieser Schaltung gestreckt. Leider ist die von Ihnen gewählte Alternative, ein FQN1N60C, noch schlechter.
Ihre Erhöhung der Spannung LV auf eine Spannung, die HV entspricht, überwindet den hohen Vth-Wert des FQN1N60C.
Der Grund, warum Ihre ursprüngliche Schaltung schlecht funktioniert, ist, dass der FQN1N60C ein sehr trauriges Beispiel für den MOSFET ist, und der Grund, warum Ihre überarbeitete Schaltung gut funktioniert, ist auch, dass der FQN1N60C ein sehr trauriges Beispiel für den MOSFET ist. Ein MOSFET mit niedrigem V-Wert würde in der ursprünglichen Schaltung ordnungsgemäß funktionieren und in der überarbeiteten ausfallen.
Dies liegt daran, dass in der ursprünglichen Schaltung der FQN1N60C Vth zu hoch für den verfügbaren Vth ist und nicht richtig einschaltet. Ein MOSFET mit ausreichend niedriger Vth würde mit der verfügbaren Spannung ordnungsgemäß einschalten. In der überarbeiteten Schaltung haben Sie dem FQN1N60C im betriebenen Zustand genügend Gate-Spannung zur Verfügung gestellt, jedoch nicht so viel, dass er unbeabsichtigt betrieben wird. Wenn Sie einen MOSFET mit niedrigem V-Wert verwenden, wird dieser durch die Schicksalsspannung eingeschaltet, die zum Zeitpunkt seiner Abschaltung verfügbar war, und die Schaltung würde ausfallen.
Die Schaltung ist äußerst clever, aber ihre Klugheit hängt davon ab, dass der MOSFET über eine ausreichende Gate-Spannung verfügt, um ihn anzusteuern, wenn TX_LV niedrig ist, aber nicht über eine ausreichende Spannung, um ihn anzusteuern, wenn TC_LV hoch ist. Normalerweise ist LV = T_LV, wenn TX_LV hoch ist, so dass der MOSFET keine Gate-Spannung sieht . Durch Erhöhen von LV zu HV stellen Sie eine Gate-Spannung von (HV-LV) bereit, wenn TX_LV hoch ist. Da HV-LV = 5-3.3 = 1.7V ist, löst der FQN1N60C nicht falsch aus, da Vth in der Praxis> 1.7V ist.
Unten sehen Sie den originalen Pegelumsetzer-Schaltplan.
Der BSS138 ist ein N-Kanal-MOSFET. Er leitet also, wenn sein Gate im Verhältnis zur Source positiv ist. In der Regel ist sein Drain höher als seine Source. Die interne Body-Diode sperrt, wenn Vds + ve ist, und leitet, wenn Vds negativ ist .
Normaler Betrieb
Wenn TXLV und TXHV hoch sind, ist das Gate auf LV (ursprünglich 3V3, die Quelle ist auf TX_LV = 3,3, also Vgs = 0, so dass der FET ausgeschaltet ist. Die
Quelle ist auf TX_LV und wird von R3 dorthin gezogen.
Sende logisch 0 von links nach rechts.
TX_LV nach unten ziehen. Source = 0V, Gate = 3V3. Also Vgs = 3V3. Da dies> V ist, ist BSS138 eingeschaltet. Wenn source = 0V und FET eingeschaltet ist, wird TX_HV ebenfalls auf low gezogen. Das war einfach :-).
Sende logisch 0 von rechts nach links.
TX_HV nach unten ziehen. Drain = 0. Gate ist 3V3 über eine feste Verbindung.
Source = 3V3 (aber siehe unten) Also: Vgs = 0. FET ist aus. Vds = - 3V3.
ABER der BSS138 hat eine interne Diode S bis D. Diese Diode leitet jetzt und zieht TX_LV bis zu einem Diodenabfall über TX_HV herunter.
Auch einfach.
JETZT BSS138 durch FQN1N60C ersetzen.
Das Vth des MOSFET beträgt> bis >> 1,7 V zwischen 5 V und 3 V3.
Wenn nun die Logik 0 von links nach rechts gesendet wird, ergibt die Erdungsquelle den ungünstigsten Fall Vgs = 3V3 = <4V. Wenn True Vth irgendwo bei 1,7 V liegt, funktioniert die Schaltung.
Das Erhöhen von LV auf 5V funktioniert wie folgt: Vgs = 5V.
ABER wenn TX_LV hoch ist, gibt es immer noch 5-3,3 = 1,7 V Antrieb zum MOSFET, obwohl es 0 V sein sollte und vorher war.
Wenn Sie jetzt den MOSFET ersetzen, der eine Vth <1,7V hat, wird er immer eingeschaltet. dh ein MOSFET mit besserer Qualität funktioniert schlechter (oder überhaupt nicht). Die "Heilung" besteht darin, zunächst einen MOSFET mit Vth <bis << 1,7 V zu verwenden.